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矢量变频器在塔机上的应用前景

发表时间：2020/9/29 来源：《基层建设》2020年第17期作者：徐丽

[导读] 摘要：文章介绍了目前国内塔式起重机上几种常见的调速方式，并指出它们的优缺点，随后阐述了变频调速的基本原理，通过在塔式起重机产品上的应用实例，证明了变频调速技术效果明显，适用面广，可靠性高，具有较高的经济效益和良好的推广价值。

        安徽建筑机械有限责任公司安徽省合肥市 230601
        摘要：文章介绍了目前国内塔式起重机上几种常见的调速方式，并指出它们的优缺点，随后阐述了变频调速的基本原理，通过在塔式起重机产品上的应用实例，证明了变频调速技术效果明显，适用面广，可靠性高，具有较高的经济效益和良好的推广价值。
        关键词：塔式起重机；交流矢量变频器；变频调速
        1.目前国内几种常见的调速方式
        对塔机来说，它有五大工作机构，包括起升、回转、变幅、顶升及行走机构。起升、回转及变幅机构是塔机最常用的三大工作机构，其中起升机构是塔式起重机最主要工作机构，起升机构调速方式优劣直接影响整机起重性能，目前传统调速方式下，对起升机构要求是重载低速，轻载高速，调速范围大。起升机构调速方式选择原则有三个：首先要工作平稳，冲击小；其次要经济和可靠，符合国情；三是要便于维修。而三大工作机构所用电机，由于负荷的动态变化，在实际运行中大部分设备通常不在额定工作点工作，如果用电动机直接驱动这些设备，在启动时以及调速换挡时，会产生很大的冲击。这不仅影响设备的使用寿命，而且存在巨大的电能浪费。
        1.1 多速电机变极调速
        目前国内最大起重量低于6吨的小型塔机竞争激烈，其起升机构主要采用多速电机变极调速，方案简单，成本较低，应用较广。如主要厂家生产的QTZ63系列塔机产品，最大额定起重量为6吨，其起升机构就是采用2、4两种倍率，电机选用4/8/32多极数电机。该种调速方法优点是机构运行稳定，但缺点是电机变速时，冲击比较大。
        1.2 电磁离合器换档减速器加带涡流制动单速绕线转子电机
        该调速方式我国已采用几十年，它靠电磁离合器换档改变减速器速比，靠带涡流制动单速绕线转子电机串电阻，获取较软特性和慢就位速度。它优点是运行比效平稳，实现大调速比。其缺点明显，首先电磁离合器一般采用国产机床用产品，寿命短，可靠性差；其次是不能空中动态变换离合器档位，否则吊重会下滑，导致危险；三是减速器成本较高。而这些缺点造成塔机不能满足日新月异的建筑市场的使用要求，从而被逐渐淘汰，目前市场上的塔机已基本不采用该调速方法。
        1.3 普通减速器加带涡流制动多速绕线转子电机
        将上一种方式电磁离合器换档改为多速电机驱动普通单速比减速器则是本方式调速原理。相比多速电机换档冲击大的缺点，带涡流制动多速绕线转子电机可串电阻获取较软M-n特性，起制动和档位切换较平稳，有慢就位速度。这种调速方式构造简单，易维护，可靠性高。目前已成功解决了涡流制动绕线转子电机散热问题，大大提高了这种调速方式可靠性。该方式的缺点是低速带涡流，此情况下不能长时间使用，否则容易烧毁涡流线圈。
        目前国内8～10t起升机构大多采用这种调速方式，这种电机起制动和换档仍有较大峰值电流和冲击，电气控制系统比较复杂，12t以上大吨位起升机构一般不宜再采用这种调速方式。
        1.4 差动行星减速器加双电机
        行星减速器太阳轮由一台电机驱动，行星架由另一台电机经行星减速驱动，外轨道内齿圈固定起升卷筒上，这就是差动行星减速器构造。行星系确定为某一合适参数后，卷筒转速就取决于两台电机转速和转向，同向快速，反向慢速。采用单速电机，每台电机则有正转、反转和停止三种状态与另一台电机相配，速度档位很多，用多速电机，速度档位则更多，这就是差动调速原理。但差动行星减速器结构复杂，一般要非标设计与生产，加上双电机，成本较高，控制复杂，故障率相对较高，并且维修难度较大。目前主机生产厂家采用不多。
        1.5 变频调速
        变频调速是当今最先进交流调速方式。国际变频器价格逐步下降，国内变频调速技术经过多年的发展，也已成熟，应用越来越广泛。国内塔机起升机构应用已多年，效果良好，但因成本问题导致使用面不广。它优点是慢就位速度可长时间运行，实现零速制动，运行平稳无冲击，能延长结构和传动件寿命，对钢丝绳排绳和寿命大有裨益，同时提高了塔机安全性。另一方面电路简单，基本实现由机械控制转变成程序控制，使得控制电路故障率大幅度降低，维护方便。
        2．变频器塔式起重机起升机构方案
        现今塔式起重机的起升机构中应用变频技术由原先以日本安川为代表的的进口变频为主，转为以汇川为代表的的国产变频器为主流。如国内主流塔机PT7525-16T及PT7020-10T均采用了汇川的起重专用矢量变频器，变频技术主要应用于中大型塔机，但最大额定起重量低于6T的中小型塔机也有采用变频调速的趋势。
        2.1矢量变频器简介
        矢量变频器是新一代模块化高性能变频器。与传统意义上变频器相比，它较好的符合塔机运行的工况，即电动机的4个工作象限内都能实现转矩及频率的补偿和控制。满足客户不同性能、功能需求，矢量变频器采用优良无速度矢量控制策略使其具有较快动态响应，先进电流限制技术和硬件优化设计，能保证负载频繁波动情况下，实现变频器不跳闸，调速方法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic通过三相二相转换，等效成两相静止坐标系下的交流电Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1，然后模仿直流电机的控制方法，求得直流电机的控制量。经过相应的坐标变换，实现对异步电动机的控制。
        其主要特点是：
        1、超强的响应性。
        不带PG的矢量控制：速度响应5Hz，带PG的矢量控制：速度响应40Hz/电机单体，带PG控制通过单独的高速电流矢量控制能快速跟踪速度指令的变化。此外，即使负载突变时也能保持。
        2、保持速度恒定

        3、保护机械的转矩限制
        利用高精度的转矩限制功能，切实限制输出转矩。当突然发生负载骤变时也能保护机械装置。
        4、高起动转矩特性
        带PG的矢量控制时，可从零速开始150%以上的高转矩运行。不带PG的矢量控制时，也能从1/100低速开始高转矩运行（150%0.5Hz，选择CT时）

        2.2性能特点
        采用先进现代交流矢量变频器，使起重机实现平稳操作，提高运行效率，改善超负荷作业，消除起制动冲击，减少电气维护，降低电能消耗，提高功率因数等均可取良好实效。同时还具有过电流、过电压、欠电压和输入缺相保护，以及变频器超温、超载、超速、制动单元过热、I/O故障保护、电动机故障保护等，变频调速方法具有如下显著特点：
        2.2.1软启动、软停止功能降低了机械传动冲击，可明显改善钢结构承载性能，延长了起重机使用寿命；
        2.2.2电动机零速时，能全力矩输出，制动器松动或失灵时，不会出现重物下滑，确保系统安全可靠；
        2.2.3具有快速动态响应，不会出现溜钩并真正实现“零速交叉”功能；
        2.2.4专用负荷重量测控仪并配以相应软件，起升速度可随负荷重量变化自切换，实现“轻载快速，重载慢速”作业要求；
        2.2.5变频器，具有自动节能操作模式，能较大提高系统功率因数和整机工作效率，节能效果显著，平均节电率可达20%以上。
        3．结束语
        目前中小型塔式起重机调速方式绝大多数采用有级调速，无级调速尽管是发展方向，但仍然受到成本等方面限制。通过测算，采用如上所述类似不增大变频器选型，适当牺牲速度方法，变频无级调速成本与带涡流制动多速绕线转子电机变极调速差距不大，性能却有很大提高，可见有替代的可能性。总之，变频器在塔机上的应用前景是很广泛的，有很大的市场潜力，值得去关注。
        参考文献：
        [1]通用变频器及其应用（第 2 版）.韩安荣.机械工业出版社.2002 年
        [2]高压变频调速控制节能分析.胡松如，李遵基等.中国电力，2003，36（1）
        [3]实用广谱变频节能技术.吕志斗.辽宁科学技术出版社.2000
        [4]变频器世界 2006年3月刊
        [5]变频技术在塔机上的应用及发展现状.建筑机械化。2014年10月刊
        [6]变频器在塔式起重机上的应用.谭晓军.科技创新导报，2019年17